张 攀,姚文艺,刘国彬,肖培青
(1.黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室,河南 郑州 450003;2.中国科学院 教育部 水土保持与生态环境研究中心,陕西 杨凌 712100)
黄河中游鄂尔多斯高原砒砂岩区水蚀、风蚀、冻融侵蚀交错发生,多类侵蚀过程共同构成了复杂的土壤侵蚀系统,属典型的多相侵蚀区,也是黄河粗泥沙集中来源的核心区[1-2],其区域土壤侵蚀模数达30 000~40 000 t/(km2·a),虽然其面积仅占黄河流域的2%,但产生的粗泥沙占黄河下游淤积量的25%,对黄河的防洪安全构成了极大威胁[3-4]。
砒砂岩是由砂岩、砂页岩和泥岩所构成的一种软弱基岩,其成岩程度低,抗蚀性极低[5-7]。加之这一地区受水力-风力-冻融的交错驱动,侵蚀营力类型及组合季节周期性交错特征突出,冬春季冻融、风化严重,夏秋季暴雨洪水多发,导致高强度的侵蚀产沙过程[8-9],形成了砒砂岩区“遇水成泥、遇风成沙”的独特自然现象。
水蚀-风蚀-冻融侵蚀是自然界水、风、温度综合作用的结果,在时空分布、能量供给、物质来源等方面相互耦合,形成了与单一的水蚀或风蚀发生机理完全不同的泥沙侵蚀、搬运、沉积过程[10]。砒砂岩区的土壤侵蚀是以水蚀为主风蚀、冻融交错的多过程侵蚀模式[11-13]。然而,以往受研究手段和观测方法的限制,忽视了其侵蚀系统的完整性,对该地区土壤侵蚀机理的研究多以单一水蚀或风水两相侵蚀为主[14-17],对水力、风力、冻融三相叠加侵蚀的作用机理尚不清楚,而这正是有效治理砒砂岩区侵蚀的关键科学问题之一。
为此,本文将水力-风力-冻融作为一个交错循环系统,以时间序列为轴研究三种侵蚀动力的相互作用关系、时间交错过程和叠加效应,以期揭示多动力交错对砒砂岩区土壤侵蚀的作用机理,深化认识多动力交错作用下复合土壤侵蚀过程。
2.1 研究区概况以皇甫川支流纳林川右岸的二级支沟二老虎沟小流域为研究区。二老虎沟流域位于鄂尔多斯市准格尔旗暖水乡境内,流域面积 3.23 km2,地理坐标东经 110°36′2.74″,北纬 39°47′38.79″(图1)。所在区域地貌形态呈黄土丘陵沟壑,上覆黄土或浮土,属典型的盖土砒砂岩区,坡顶覆土厚度多为2 m以上。沟壑密度达7 km/km2,植被覆盖度很低,基岩出露面积在30%以上(图2)。研究区属典型的大陆性半干旱气候,年温差较大,年平均气温7.3℃,封冻期为11月—翌年3月,冻土深度约1.5 m。多年平均降水量约350 mm,雨水集中在7—9月,且多为暴雨。大风天气较多,全年平均风速2.2 m/s,最大风力可达8级,大风集中在4—5月和10—11月。
图1 二老虎沟小流域位置示意图
图2 二老虎沟小流域概览
2.2 试验观测方法由于研究区缺乏长系列观测资料,因此根据其侵蚀环境条件,选择具有代表性的位置布设水文、气象、地温、土壤等监测站点,定期采集水力、风力、冻融、土壤水分等关键参数。布置的监测设备包括:在二老虎沟小流域坡顶布设气象因子采集系统一套,集成自计式雨量计、风速风向测定仪、气温湿度传感器等,实时获取降雨量、风速、风向、气温、湿度等基本环境参数,观测年限为2016年1月至2018年12月,每隔5 min采集一次风速风向;在典型阳坡坡面中部埋设EM50全自动地温、水分采集系统两套,配置5通道地温、水分传感器,根据该区域多年冻土平均厚度统计,测点沿土层纵向埋深分别为:10、20、30、40和50 cm,以实时获取5个土层剖面土壤未冻结-冻结-解冻的连续温度变化过程,观测年限为2018年11月至2019年6月。基于以上数据分析,辨识年内水力、风力、冻融、土壤水分变化的时空分异规律。
3.1 降水分布特征选取2016—2018年的降水量资料,分析影响流域水蚀的降水因子变化特征。从年际间的统计数据来看,年均降水量约449.6 mm。与鄂尔多斯地区皇甫川流域1996—2015年平均降雨量349.5 mm相比,2016年为典型的丰水年,年降雨量达741.6 mm;2017年为枯水年,年降雨量163.1 mm;2018年为平水年,年降雨量443.7 mm,丰水年可达枯水年降雨量的4~5倍。可见研究区域降水量年际之间变化剧烈,丰、平、枯水年交替频繁,差异明显。
从降水量分布的年内变化特征(图3)来看,研究区降水年内分布不均,峰值出现在7—8月,这两个月最大降水量可达413.8 mm,平均降水量153.6 mm,占全年总降水量的64%;9月之后降水明显减弱,冬季几乎没有降水,说明该地区水力侵蚀主要发生于6—9月。
图3 二老虎沟小流域降水量年内分布
3.2 风力分布特征研究区风速的分布特征如图4所示。可看出,全年平均风速1.8 m/s,在不同季节,风力变化明显,每年的春季3—5月是平均风速较大的时期,其峰值出现在4月,平均风速2.4 m/s,最大风速可达15~16 m/s。此时随着春季气温逐渐回升,地表冻土开始融化,且降雨稀少,植被尚未长成,是风力侵蚀的主要作用时段。5月之后风速逐渐降低,8月达到最小值1.34 m/s。同时在每年的11—12月,风速也有小幅上升,此时地表尚有枯萎植被覆盖,且土壤处于上冻期,风力侵蚀不占主导地位。
统计研究区16个风向在2016—2018年的出现频率(图5)可以看出,研究区在各方向风力均有分布,主要盛行东风和东北风,其次是北风和南风。由于二老虎沟沟道为南北走向,且流域面积不大,风向和沟道走向基本上垂直(图5),使得侵蚀物质易于堆积于侵蚀沟道中,为水流输沙提供了物质条件。由此可以看出,年内降雨量分布与风速分布是不同步的,这就使得水蚀、风蚀交错发生,形成了砒砂岩区不同阶段的侵蚀高峰期。
图4 二老虎沟小流域风力年内分布
图5 二老虎沟小流域风向分布
3.3 冻融侵蚀力分布特征冻融侵蚀是高寒地区由于温度变化,导致土体或岩石的水分发生由液态到固态的相变,从而引起体积的差异性膨胀,造成土体或岩石机械破坏并在水力、重力等作用下被搬运、堆积的过程[18]。冻融侵蚀发生的基本条件是温度和水分这两个因素,目前比较公认的影响参数是土壤温度、水分和冻融循环次数。
图6 二老虎沟小流域土壤剖面水分、地温变化
图6为二老虎沟小流域土壤剖面水分、温度变化过程,统计了从2018年11月至2019年4月的土壤未冻结-冻结-解冻的连续水分、地温变化过程。土壤的冻融期为12月初至次年的3月底,持续时间约为4个月。整个过程可以划分为三个阶段,即上冻期、封冻期和解冻期。上冻期从12月初持续至12月下旬,从不同土层的温度变化情况看,表层土体温度最低,从而最先冻结,土层越深温度相对越高,冻结时间相对越晚,地下50 cm处的深层土体较地下10 cm处的表层土体上冻时间滞后约20 d;封冻期从12月下旬持续至次年的3月中旬,表层土体的平均温度为-5.0℃,最低温度为-7.2℃,深层土体的平均温度为-2.8℃,最低温度为-3.7℃;解冻期从3月中旬持续至3月底,解冻过程与上冻过程相反,表层土体最先解冻,深层土体最后解冻,深层土体较表层土体的解冻时间滞后约15 d。
从与土体冻融过程相对应的土壤水分变化情况来看,上冻期和解冻期的土壤水分含量相对较高,表层土壤的体积含水率约为0.19 m3/m3,深层土壤约为0.31 m3/m3;封冻期的土壤水分含量较低,表层土壤的体积含水率约为0.13 m3/m3,深层土壤约为0.26 m3/m3。此期间的土壤水分含量处于全年中的较低水平。
除土壤温度、水分外,冻融循环次数对冻融过程中土体结构的破坏程度有着重要影响。图7为上冻期土壤剖面冻融循环次数,可以看出,冻融循环过程多发生于表层10 cm的土体,深层土体温度波动较小,基本不发生冻融循环。上冻期表层土体冻融循环次数约为5次,且完成一个冻融循环的持续时间差异较大,从24 h到6 d不等。图8为解冻期土壤剖面冻融循环次数,可看出,春季解冻期随着温度上升,表层土体的冻融循环次数较上冻期频繁,约为10次,且完成一次冻融循环的持续时间相对均匀,基本维持在24 h左右。说明春季解冻期是冻融循环的多发期,加之这一时期的土壤水分含量相对较高,易于对土体结构形成冻融侵蚀破坏。
图7 上冻期土壤剖面冻融循环次数
图8 解冻期土壤剖面冻融循环次数
图9 复合侵蚀动力年内交错特征及叠加效应
根据以上对水力、风力、冻融作用因子年尺度变化过程的统计,对三种驱动力作用过程进行叠加,以辨识高侵蚀风险区的分布特征及动力交错模式。采用数据标准化后的层次分析法(AHP),统计降雨量年内变化规律,得到水力作用过程曲线;统计风速年内变化规律,得到风力作用过程曲线;统计年内土壤温差(0℃上下)与土壤含水量的乘积,加上冻融循环次数,得到冻融作用过程曲线。
冻融作用由于影响因子较多,且目前尚无统一的冻融侵蚀计算方法及评价标准,计算较为困难,本文采用在第3次全国土壤侵蚀调查中对冻融侵蚀指标的赋值标准[19],将土温与水分乘积与冻融循环次数按照1∶1的权重赋值。其中,冻融循环次数根据3.3节的分析结果,上冻期(11月)与解冻期(3月)的赋值按1∶2的比例分配,将土温与水分乘积与冻融循环次数叠加后得到冻融作用过程曲线(图 9(a))。
由于以上水力、风力、冻融作用因子的统计结果的量纲不同,因此要对数据进行归一化处理,归一化方法采用min-max标准化,转换函数如下:
式中:max为样本数据的最大值;min为样本数据的最小值。
在此基础上,对标准化后的三种动力值进行叠加,将叠加后的数值作为交错驱动效应表征参数,得到水力、风力、冻融交错后的作用过程曲线。取叠加后的平均值为基准值,该曲线位于基准值以上的部分即为高侵蚀风险期(图9(b))。根据高侵蚀风险期作用时段及分布特征,发现高侵蚀风险期内的水力、风力、冻融作用过程具有三个峰期,且基本上是双类或多类侵蚀叠加耦合造成的,分别为风冻交错、风水交错和风水冻交错,据此可以认为砒砂岩区复合侵蚀存在着三个典型动力组合模式。其中,高侵蚀风险期Ⅰ发生于每年的2月上旬至3月中下旬,表现为风蚀、冻融交错作用;高侵蚀风险期Ⅱ发生于每年的6月中上旬至8月中下旬,表现为以水蚀为主的风水交错侵蚀作用;高侵蚀风险期Ⅲ发生于每年的10月中旬至11月中下旬,表现为水蚀、风蚀、冻融交错侵蚀作用。
复合侵蚀动力作用关系复杂,目前对各侵蚀动力的作用比例和侵蚀效应研究较少。根据王随继[20]的研究结果,砒砂岩区的冻融侵蚀量可以达到沟道产沙量的1/2,最大可达流域侵蚀量的1/3左右。赵国际[12]认为砒砂岩区的风力侵蚀主要发生在冬春季,年风化速度为1.5~3.6 mm,提供的风化物质达2250~5292 t/(km2·a)。而本文是从侵蚀动力的角度对砒砂岩区动力作用模式和特征进行的分析,未结合不同侵蚀模式下的侵蚀量进行定量分析,因此尚无法判断各动力因子的作用比例。今后还有不少问题需要进一步探索,例如不同侵蚀动力过程的定量描述,不同侵蚀动力组合模式的作用机制,以及不同侵蚀动力耦合下的侵蚀效应及其模拟等。
(1)砒砂岩区土壤侵蚀营力在时间上存在着相互交错与叠加的复杂关系。水力侵蚀高峰期发生于6—9月,风力侵蚀高峰期为3—5月,冻融期为12月初至次年的3月底。其中冻融过程具有上冻期、封冻期和解冻期三个阶段,上冻期表层土体最先冻结,解冻期表层土体最先解冻,深层土体最后解冻,封冻期的土壤水分含量处于全年中的较低水平,春季解冻期是冻融循环的多发期,加之这一时期的土壤水分含量相对较高,易于对土体结构形成冻融侵蚀破坏。
(2)砒砂岩区复合侵蚀作用基本上是双类侵蚀叠加耦合造成的,分别为风冻交错、风水交错和风水冻交错三个典型动力组合模式。砒砂岩区年内存在三个高侵蚀风险期,即每年的2月上旬至3月中下旬为高侵蚀风险期Ⅰ,表现为风蚀、冻融交错作用(风冻交错);每年的6月中上旬至8月中下旬为高侵蚀风险期Ⅱ,表现为以水蚀为主的风水交错侵蚀作用(风水交错);每年的10月中旬至11月中下旬为高侵蚀风险期Ⅲ,表现为水蚀、风蚀、冻融交错侵蚀作用(风水冻交错)。